MORPHO-BIOCHEMICAL FEATURES AND RAPESEED PRODUCTIVITY WHEN USING ZEOLITES GROWING IN THE CONDITIONS OF THE LIPETSK REGION

Full Text

Рапс - это масличная культура, которая широко распространена в мире. Это однолетнее растение имеет мощную корневую систему, прямостоячий хорошо облиственный стебель. Существуют две формы рапса: озимая и яровая. Урожайность семян и выход масла ярового рапса примерно на 30% ниже, чем у озимого [2, 3, 14]. При соответствующих погодных условиях и оптимальной технологии выращивания яровой рапс может давать зерна почти столько же, сколько озимый [8, 15, 16]. В России возделывают в основном яровые формы рапса. В 2019 г. общие посевные площади под рапсом составляли 1546 тыс. га, из них на долю озимого рапса приходилось 12,4 %, на долю ярового - 87,6 %. Доля посевных площадей увеличилась благодаря введению рапса в севооборот в основных регионах возделывания, а именно в Северо-западном, Центральном Нечерноземном, Черноземном, Сибирском и др. Важным элементом в технологии возделывания рапса является минеральное питание растений [5, 6, 12]. Цеолиты - это природные кристаллические алюмосиликаты. Они являются наиболее распространенными минералами [1, 4, 9, 13]. Поры и пустоты являются ключевыми характеристиками цеолитовых материалов. Поры и связанные между собой пустоты заняты катионами и молекулами воды. Они могут использоваться как в качестве носителей питательных веществ, так и в качестве среды для свободных питательных веществ. Цеолиты являются важными материалами с очень широким применением в сельском хозяйстве и экологической инженерии. Установлено, что внесение цеолита в почву повышает урожайность сельскохозяйственных культур и повышает эффективность использования питательных веществ [13]. Учёными В. С. Крутилиной и др. [7] установлено, что применение цеолита повышает фотосинтетическую активность, а, следовательно, и биологическую урожайность сельскохозяйственных культур. На качество пыльцевых зёрен оказывают влияние многие факторы, в том числе и питание растений [11]. Метаболиты растений помимо участия в различных биохимических реакциях, играют важную роль в их защите [13]. Использование цеолитов в качестве удобрений является весьма актуальным вопросом в производстве масличных культур, а такие показатели, как метаболиты растений, размеры пыльцевых зёрен и устьиц растений в совокупности могут оказывать влияние на продуктивность сельскохозяйственных растений. Цель исследований - повышение продуктивности рапса и качества его семян при использовании в качестве удобрений цеолитсодержащих пород в почвенно-климатических условиях Липецкой области. Задачи исследований - дать оценку морфо-биохимическим показателям ярового рапса (размеру устьиц и пыльцы, содержания первичных метаболитов), урожайности рапса и качества семян в зависимости от используемых в опыте удобрений. Материалы и методы исследований. Исследования проводили на опытных полях Елецкого государственного университета имени И. А. Бунина в 2019-2021 гг. Объект исследования - яровой рапс сорта Риф. В качестве природных минералов использовали природный цеолит Тербунского месторождения. Химический состав природного цеолита (масс %): Na (0,1), Mg (0,9), Al (9,4), Si (21,3), Р (0,4), S (0,3), К (1,6), Са (0,8), Fe (2,3), Cо (9,5), Ni (3,4), Cu (0,3), Zn (1,1), Mo (1,2). Схема опыта: 1) Контроль; 2) N60P60K60; 3) Цеолит 5 т/га; 4) N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. В проведённых исследованиях использовали азофоску, дозы рассчитаны на урожайность семян 2,0 т/га с корректировкой расчета баланса элементов питания на опытных почвах в условиях региона. Погодные условия в годы исследований складывались благоприятно при ГТК в 2019 г. - 0,98, в 2020 г. - 1,28, в 2021 г. - 1,03 (рис. 1). Предшественником в опыте была озимая пшеница. Посев рапса осуществляли в III декаде апреля с нормой высева 2,0 млн шт./га. Уход за посевами складывался из обработки посевов против сорняков препаратом Галион 0,3 л/га (действующее вещество - клопиралид 300 г/л + пиклорам 75 г/л). Против крестоцветной блохи и рапсового цветоеда растения рапса обрабатывали препаратом Карате Зеон 0,15 л/га (действующее вещество лямбда-цигалотрин 50 г/л). Удобрения и природный цеолит вносили весной перед культивацией. Общая площадь опытных делянок составляла 50 м2, учётных - 40 м2. Повторность опыта четырёхкратная. Уборку ярового рапса проводили в третьей декаде августа. Рис. 1. Погодные условия за 2019-2021 гг. В опытах использовали технологию возделывания ярового рапса, общепринятую для региона. Для определения метаболомного профиля спиртовых экстрактов листьев рапса использовали метод газовой хромато-масс-спектрометрии. Идентификация веществ и количественное определение их концентраций осуществлялось путем сравнения со значениями и масс-спектрами NIST-5 (Библиотека Национального института стандартов и технологий США). Анализ состояния устьиц и пыльцы рапса осуществляли с помощью сканирующей электронной микроскопии аналитическим электронным микроскопом «EVO 50 XVP» (Carl Zeiss). Содержание жира в маслосеменах рапса определяли методом Сокслетта. Результаты исследований. Результаты сканирующей электронной микроскопии позволили установить некоторые различия по вариантам исследования в отношении устьиц листовых пластинок и пыльцевых зёрен рапса. В вариантах с внесением цеолита устьица были гораздо крупнее, чем на контроле, с хорошо просматриваемой устьичной щелью (рис. 2). Длина устьиц находилась в пределах 13,91-18,21 мкм. Следует отметить, что длина устьиц была максимальной на вариантах с применением цеолита в комплексе с минеральными удобрениями (18,21 мм). Размер устьиц по исследуемым вариантам можно представить в виде следующего убывающего ряда: Контроль > N60P60K60 > Цеолит 5 т/га > N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. Главное свойство цеолитов - поглощать, а потом постепенно отдавать воду при заданных параметрах температуры и влажности. Можно предположить, что в условиях опыта с применением цеолита растения были обеспечены водой, что и повлияло на размеры устьиц. Сканирование пыльцы позволило установить, что пыльцевые зёрна рапса имели продолговато-эллипсоидную форму (рис. 3). В вариантах опыта с минеральным удобрением (N60: P60: K60) размер полярной оси был ниже, чем на контроле. В вариантах минерального удобрения (N60: P60: K60) совместно с цеолитом (5 т/га) и с цеолитом в чистом виде (5 т/га) - выше, чем на контроле. Пределы изменения полярной оси пыльцы в зависимости от типа эксперимента варьировались следующим образом: 21,56-41,52 мкм - Контроль; 24,59-41,63 мкм - N60P60K60; 25,31-41,91 мкм - Цеолит 5 т/га; 26,81-42,12 мкм - N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. Рис. 2. Устьице абаксиальной стороны листа (Цеолит 5 т/га) (Фотография С. М. Мотылёвой. 2021) Рис. 3. Пыльцевые зёрна ярового рапса (Цеолит 5 т/га) (Фотография С. М. Мотылёвой. 2021) Внесение удобрений положительно сказалось на увеличении размеров пыльцевых зёрен и благоприятно отразилось на урожайности рапса. Следовательно, такая подкормка растений в виде цеолитсодержащей породы способствует увеличению жизнеспособности пыльцы и, как следствие, увеличивает количество семян в стручке. Варианты опыта практически не оказали влияния на качественный состав метаболитов (табл. 1), однако выявлены количественные различия накопления отдельных соединений в зависимости от варианта опыта. Таблица 1 Сравнительное содержание основных веществ в листьях рапса в зависимости от вариантов опыта Варианты опыта Вещество, % ∑ Arabitol Sorbitol Palmitic acid Lactose Контроль 20,1 18,2 1,7 32,9 72,9 N60P60K60 25,5 23,6 0,5 32,9 81,7 Цеолит 5 т/га 15,7 16,3 0,8 37,6 70,4 N60P60K60 + Цеолит 5 т/га 42,4 37,5 0,5 11,06 92,2 Основными первичными метаболитами в листьях рапса является углевод лактоза и сахарные спирты рибитол и арабитол. Преимущественную долю составляет лактоза, в зависимости от вариантов опыта площадь пика которой варьирует от 11,06 до 37,6 %. Арабитол и сорбитол синтезируются примерно в равных количествах и также значительно варьируют в зависимости от вариантов опыта от 15,7 до 42,4 и от 16,3 до 37,5 %, соответственно (рис. 4). Площадь пика вторичных метаболитов не превышает 2-5 %. Таким образом, установлен характерный профиль веществ-метаболитов, экстрагируемых из листьев рапса чистым метанолом. Основными метаболитами является 31 соединение - углеводы и их производные, органические кислоты, обладающие антиоксидантным действием, и жирные кислоты. Отмечено влияние вариантов опыта на синтез метаболитов углеводного обмена в листьях рапса. Наибольшее количество углеводов (по сумме) синтезируется в вариантах с применением минерального удобрения (N60P60K60) в комплексе с цеолитом (5 т/га). Контроль N60P60K60 Цеолит 5 т/га N60P60K60 + Цеолит 5 т/га Рис. 4. Сравнительные хроматографические профили экстрактов листьев рапса Минимум концентрации метаболитов - 70,4 % - отмечался на варианте с цеолитом в чистом виде и на контрольном варианте - 72,9 %. Высоким метаболомным профилем - 81,7 % - характеризовались растения рапса на варианте с применением минерального удобрения. Содержание пальмитиной кислоты в растениях находилось в пределах 0,5-1,7 % в зависимости от вариантов опыта, её максимум отмечался в растениях рапса на контроле (1,7 %). Максимальная урожайность - 29,1 ц/га - отмечена на варианте N60P60K60 + Цеолит 5 т/га, что превышало контроль на 69 %. Урожайность на варианте N60P60K60 составила 27,1 ц/га, что превышало урожайность на варианте с внесением цеолита в чистом виде на 7,0 ц/га (рис. 5). Рис. 5. Урожайность и качественный анализ маслосемян рапса (Ц - цеолит) Содержание масла в семенах рапса в вариантах с N60P60K60 снижалось по отношению к контролю. Максимальное количество жира отмечалось в семенах, где применяли цеолит в чистом виде, - 41,5 %. Следует отметить, что использование минеральных удобрений совместно с цеолитом способствовало увеличению содержания белка в семенах (28,1%). Увеличение доли белка в семенах рапса связано с увеличением азота в удобрениях. Заключение. Возделывание ярового рапса в условиях лесостепи Центрально-Чернозёмного региона с применением в качестве удобрений природного минерала является весьма эффективным. Установлено, что внесение цеолита способствовало увеличению таких показателей, как размеры устьиц и полярной оси пыльцы, метаболитов растений. Подкормка растений в виде цеолитсодержащей породы способствовала увеличению жизнеспособности пыльцы, активизации метаболомных и фотосинтетических процессов и, как следствие, отразилось на урожайности. Максимальная урожайность - 29,1 ц/га - отмечена на варианте N60P60K60 + Цеолит 5 т/га, что превышало контроль на 69 %. Урожайность на варианте N60P60K60 составила 27,1 ц/га, что превышало на 7,0 ц/га урожайность на варианте с внесением цеолита в чистом виде. Использование минеральных удобрений совместно с цеолитом способствовало увеличению содержания белка в семенах (28,1%). На основании полученных результатов в 2019-2021 гг. с целью получения высоких урожаев в почвенно-климатических условиях Липецкой области можно рекомендовать в технологии возделывания ярового рапса цеолит Тербунского месторождения в дозе 5 т/га совместно с минеральным удобрением N60P60K60.

About the authors

Tatiana V. Zubkova

Yelets State University named after I. A. Bunin

Author for correspondence.
Email: zubkovatanua@yandex.ru
Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor Yelets, Lipetsk Region, Russia

Dmitry V. Vinogradov

Ryazan State Agrotechnological University named after P. A. Kostychev

Email: vdv-rz@rambler.ru
Doctor of Biological Sciences, Professor. Ryazan, Russia

References

Supplementary files